離心式空氣壓縮機內流動特性研究

李金水

（武漢長利玻璃有限責任公司，湖北 武漢 430065）

離心式空氣壓縮機具有諸多優點而被廣泛的應用于航天、冶金和化工等機械設備中。利用CFD法對離心式空氣壓縮機內部結構建立計算模型，對其進行主要部件和整級進行流動特性數值模擬，分析離心空壓機流道內部的葉輪、擴壓器和彎道的流動特性及其整級流動特性。如何提高離心式空氣壓縮機的工作效率、降低能耗和擴大工況使用范圍成為研究的重心。近年來，將數值模擬與CFD技術相結合共同研究離心式空氣壓縮機內流動特性成為一種行之有效的方法。為改善離心式空氣壓縮機效率和適用范圍，對其內流動特性需要更深入的研究有著重要的意義。高峰等人使用湍流數值模擬模型分析了離心葉輪內部流動特性；李學臣等人研究了葉輪氣動設計參數的規律；馬新民等人研究了不同速度系數下離心機整機流道內部的流動情況。本文綜合影響流動的因素，建立物理模型，設定初始條件及參數，利用多重網格技術，將物理模型網格化，對離心式空氣壓縮機內部的葉輪、擴壓器、彎道和整機的流動特性進行分析，得到可靠數據。

1 網格化數值模擬

（1）離心式空氣壓縮機的網格建立。在多級離心空氣壓縮機中隨機選取一個中間級建立模型，采用CFD的方法對流體流動進行數值模擬，其內部葉輪選取葉片數為 16 的三維扭葉片，出口直徑D2=420mm；擴壓器進口直徑設置為D3=460mm，無葉擴壓器出口直徑D4=615mm；回流器為葉片數22的二維香蕉形葉片，回流器擴張角為9°，進口直徑D5=620mm。其子午流道結構如圖1所示。在導入葉輪和擴壓器部分輪廓線數據建立幾何模型，使用允許流道上、下游可以建立不同網格的拓撲結構的 H/G/C/L 網格形式來建立內部網格化拓撲結構。上下游分別采用 J 形網格和 H 形網格，在葉片附件采用葉片附件采用 O 形網格。O形網格具有連續環形結構化網格的優點，它適用于流體流動復雜、流體分離嚴重和環境參數變化劇烈的環境中，這種結構可以提高模型邊界層的網格質量。回流器部件采用圓弧過渡的葉片，葉片附件采取 O 形網格劃分，上、下游均采取 H 形網格劃分。擴壓器出口作為整級模型的分界面，建立整級計算模型。

圖1 子午流道示意圖及其部件拓撲結構

（2）離心式空氣壓縮機的邊界條件和基本參數。在模型計算前，需要對模型的邊界條件進行設置和基本參數的配置，為準確研究整級壓縮機性能做好準備。總體邊界條件使用靜子轉子交界面原則，兩側為周期性邊界條件，將模型的盤側、蓋側、葉片部分分為固壁邊界條件，按照建立模型的思想以及網格劃分的具體情況，轉動部分為具有葉輪主體部件（葉輪、擴壓器），其余部件都設置為靜止部分。基本參數配置：入口條件為總壓入口，其數值為99kPa，出口條件為靜壓出口，以空氣為流體，葉輪的轉速為 15236r/min，入口總溫為 293 K，參考壓力為 0 Pa，機器馬赫數 為 0.83，采用 k-ε湍流模型分析絕熱無滑移的固體壁面的穩態氣流。

2 內流動特性分析

對離心式壓縮機內流動特性分析研究包括葉輪、擴壓器和彎道等內部部件流動速度矢量圖分析和離心壓縮機整級速度矢量圖和靜壓值的分析。

（1）葉輪和擴壓器流動特性分析。離心葉輪受動靜元件、進口條件和曲率等因素的影響，容易使葉片應力更集中，產生阻塞和喘振現象，嚴重時可以導致整機結構破壞，故葉輪結構的優劣直接影響整體性能。通過圖2的葉輪中間面速度矢量圖可以看出，葉片的前緣速度最大，尾緣處形成一個小范圍的分離流動和葉輪中間面的吸力面速度大于葉輪壓力面。在葉片尾緣建模采用的是彎曲長方形而非圓弧形的平滑過渡，故對流暢擾動忽略不計，而葉片前緣對流體會產生影響，但葉輪對離心壓縮機整體效率的影響較弱。通過擴壓器中間面速度矢量圖可以發現，無葉擴壓器結構簡單，其內部流速平穩且無劇烈變化，流場整體比較平穩。

圖2 葉輪中間徑向面（左）和擴壓器中間面（右）速度矢量圖

（2）彎道流動特性分析。彎道具有引導氣體流變向進入下一級部件的作用，作為離心壓縮機的一個重要部件，其流動特性比較復雜，分析其流動特性對分析離心壓縮機整級性能有重要的意義。圖 3 為彎道速度矢量圖，可以發現彎道內側流速變化劇烈呈現明顯不均的現象，相對而言外側則穩定許多。彎道中間面流動特性呈現較穩定狀態，造成這種現象是因為氣體在彎道內改變方向時內側遇到阻力最大，速度降低較多，而外側則影響相對較小。

圖3 彎道內側（左）、中間面（中）和外側（右）的速度矢量圖

（3）離心壓縮機整級流動特性分析。圖 4 為仿真模型子午靜壓等值線圖，從中可以分析其整級流動特性，并對比內部部件的流動特性。從靜壓等值線中可以看出，在隨著氣體流動方向離心壓縮機整級靜壓面快速增加，其在葉輪處的等值線較為密集，可以判定葉片前緣點局部速度較大，其中間層流場穩定，而蓋側比較混亂。擴壓器內靜壓變化均勻，各個側面基本一致，流場比較穩定。在彎道的蓋側有一高壓區，這是因為彎道結構需要達到改變流體方向的目的，改變方向必然會導致速度降低和此處壓力升高。

圖4 仿真模型子午面靜壓等值線圖

從仿真模型子午面速度矢量中可以觀察到，回流器流場變化較為復雜，葉輪外側與擴壓器界面處速度變化劇烈，蓋側和盤側流體流動較為混亂，彎道內流場則較為穩定。獲得的整級內流動矢量圖特性分析與前部分的葉輪中間面速度矢量分析、擴壓器速度矢量分析和彎道速度矢量分析結果一致，說明設計網格化計算中將整級分為兩個部分進行模擬是正確的方案，最終獲得的整級結果理想。

3 結語

采用CFD的方法對離心式空氣壓縮機內部流體流動建立物理計算模型，設置相應影響參數，進行數值模擬。葉輪流動特性分析表明，葉片的前緣速度最大，尾緣處形成一個小范圍的分離流動和葉輪中間面的吸力面速度大于葉輪壓力面。擴壓器流動特性分析發現，無葉擴壓器的壓力平穩升高，內部流場沒有劇烈變化。無葉擴壓器結構簡單，對流場影響較小。彎道流動特性分析發現，彎道部分流動整體上比較穩定。其中外側均比內側穩定，中間面為流體流動平穩區域。對離心式空氣壓縮機整級流動特性分析發現，回流器內流場變化較劇烈，彎道和擴壓器內流場則較為穩定，在葉輪內部和擴壓器交界面處速度較高。